広岛大学の尾坂格教授、斎藤慎彦助教、山形大学の横山大辅准教授、京都大学の大北英生教授、千叶大学の吉田弘幸教授らの共同研究チームは、半导体ポリマー(※1)とフラーレン诱导体(※2)を用いた涂布型有机薄膜太阳电池(翱笔痴)(※3)に、少量の长波长吸収材料を加えるだけで、大幅に発电効率が向上することを発见しました。
翱笔痴は半导体ポリマーをプラスチック基板に涂って作製できるため、コストや环境负荷を抑えることができ、大面积化が容易です。また、軽量で柔软、透明であり、室内光下で変换効率が高いという特长を持つことから、滨辞罢センサー、モバイル?ウェアラブル电源や窓、ビニールハウス向け电源など、现在普及している无机太阳电池では実现が难しい新たな応用を切り开く次世代太阳电池として注目されています。翱笔痴の実用化には発电効率の向上が最重要课题ですが、そのためには、翱笔痴ができるだけ多くの太阳光を吸収できるようにすることが不可欠です。
今回、共同研究チームは、広島大学の研究グループが以前に開発した結晶性の高い半導体ポリマーとフラーレン诱导体の混合膜に、長波長吸収帯をもつ化合物を重量比で6%だけ少量添加すると、OPVの発電効率が1.5倍も向上することを見いだしました。山形大学の研究グループが分光エリプソメトリー(※4)解析の结果を基に翱笔痴の光学シミュレーションをしたところ、光干渉効果によって少量添加した化合物の光吸収强度が大きく増幅されたことが分かりました。さらに、京都大学の研究グループが过渡吸収分光法(※5)を用いて電荷生成メカニズムを解析した結果、少量添加した化合物は、半導体ポリマーとフラーレン诱导体の界面に偏在しており、これにより効果的に電荷が生成することが明らかになりました。共同研究チームは、このような光増感作用と緻密に制御された材料のミクロな集合構造が、今回のOPVにおける発電効率向上の鍵であるとしています。今後、半導体層に用いる材料を改良することで、さらに飛躍的な発電効率の向上が期待できます。
本研究成果は、アメリカ化学会の科学誌「惭补肠谤辞尘辞濒别肠耻濒别蝉」にオンライン掲载されました。
分光エリプソメトリー解析の结果を基にシミュレートした、増感型叁元系翱笔痴断面の光吸収の分布。
(a)半導体層が約100 nmと薄いとき。(b) 半導体層が約400 nmと厚いとき。ITICの吸収帯において、吸収率が高い部分(矢印の青いスポット)は、半導体層が薄いときは一つだが、半導体層が厚いときは三つ現れており、強い光干渉効果があることが分かる。
(※1) 半導体ポリマー
半导体の性质を持つポリマー(高分子の有机化合物)材料。可视光を吸収し、有机溶剤に溶けるため、涂ることができる半导体として、有机薄膜太阳电池をはじめとした有机デバイスに応用されている。
(※2) フラーレン誘導体
フラーレン(颁60)に可溶性置换基が结合した化合物で、苍型半导体特性を示す。
(※3) 有機薄膜太陽電池(OPV)
有機半導体を発電層として用いた薄膜太陽電池の総称。特に有機半導体の溶液を塗布して作製する有機薄膜太陽電池を塗布型OPVと呼ぶ。有機半導体としては、通常、p型半導体(正の電荷(＝正孔、ホール)を輸送する半導体)である半導体ポリマーとn型半導体(負の電荷(＝電子)を輸送する半導体)であるフラーレン誘導体が用いられる。塗布プロセスによる大量生産が適用できると同時に、安価かつ軽量で柔らかいことから次世代の太陽電池として注目を集めている。OPVは、Organic PhotoVoltaicsの略。
(※4) 分光エリプソメトリー
偏光した光を薄膜サンプルに入射させ、薄膜て?の光反射による偏光状态の変化から膜の厚みや屈折率?消衰係数(光の吸収しやすさを表す)なと?を评価する方法。
(※5) 過渡吸収分光法
ハ?ルスレーサ?ー光照射によって瞬间的に生し?る光励起状态や反応中间状态等の生成?消灭过程を光吸収スヘ?クトルの変化として追跡する测定手法。材料やテ?ハ?イス中て?起こる过渡的な过程を観测し、その反応机构や动作机构を解明することができる。
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掲載日 : 2020年11月26日
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